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制冷散热技术[3]: 弹热制冷

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发表于 2021-8-11 10:18:10 | 显示全部楼层 |阅读模式

弹热制冷技术是由应力场驱动弹热材料相变而产生制冷效应的固态制冷技术。如图1所示,镍钛记忆合金等弹热材料在受到应力加载时由奥氏体相变为马氏体,在绝热条件下放热,温度升高;同理,应力卸载时,弹热材料由马氏体相变为奥氏体,在绝热条件下吸热,温度降低,产生冷效应。

按照热力学过程不同,弹热制冷循环可以分为布雷顿循环、逆卡诺循环、埃里克森循环、主动回热循环4种不同的循环方式。按照记忆金属内部是否存在高温热汇至低温热源的温度梯度,弹热制冷循环可以分为单级制冷式和主动回热式两种循环方式。一种典型的单级弹热制冷系统中的布雷顿循环包括以下四个过程: a.加载——记忆合金长度增加,引起马氏体相变;b.液态热交换流体吸热后流向绝热层;c.卸载——记忆合金返回初始长度,引起反向马氏体相变;d.液态热交换流体放热后返回。 1.png 图1弹热材料相变示意图目前,弹热制冷技术在微电子芯片系统温控领域的应用研究倍受重视。相比于传统的蒸汽压缩式制冷以及其他制冷技术(如电热制冷和磁制冷)等,弹热制冷装置更加微型化、制冷效率更高。美国、德国等少数研究机构已经成功研发出弹热制冷的原型机。以德国卡尔鲁斯理工大学给出的方案为例。他们使用Ti-Ni-Fe合金薄膜作为弹热材料,在薄膜结构无载冷流体的设计基础上给出了平面外变形单桥装置(图2)、平面内变形单桥装置(图3)、凸式双桥装置(图4)、凹式双桥装置(图5)四种方案。 2.png 图2 平面外变形单桥装置 3.png 图3 平面内变形单桥装置(需要2个驱动力) 4.png 图4 凸式双桥装置 5.png 图5 凹式双桥装置
卡尔鲁斯理工大学给出的4种方案中,实验人员采用表面积较大的Ti-Ni-Fe合金金箔(而非前任原型机的金属圆柱)作为受热面,室温下的空气作为热汇槽中的冷却介质,另利用外加热源模拟电子元件的产热。在双桥方案中(图4、5),两组记忆合金交替处于加载和卸载状态,呈180°相位差对称排布。相比于单桥装置,双桥热泵装置可以实现周期性的不间断散热,散热速率有了明显提高。单/双桥装置经历100个循环周期后的红外热成像图也显示热源温度都有明显的降低。研究表明,在热源与热汇的比热相差不多时,这种微小型热泵的制冷功率可以达到45mW,COP值可以达到3.1。虽然与理论最大值还有一定差距,但是仍然比现存在微型器件散热领域最先进的电热制冷技术高(COP值一般不超过2.5)。弹热制冷技术在芯片级系统散热领域尚未进入商用阶段,其面临的问题主要有以下三点:1)驱动元件的微型化问题;2)记忆合金的抗疲劳问题;3)如何实现活性材料与热源之间的高效传热问题。但令人欣喜的是,针对这些问题已有了相应的研究进展,例如:在提高材料抗疲劳性能问题上,已经有研究证明冷轧工艺生产出的Ti-Ni箔显示出更好的抗疲劳性能;另外有学者在Ti-Ni合金中混入一定比例的非相变材料,也可以提高材料的抗疲劳性能。相信在不远的将来,弹热制冷技术一定能在电子元件散热领域大放异彩。


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